簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設(shè)計(jì)-wenkub.com
2024-08-22 22:34 本頁(yè)面
【正文】 另一方面，有時(shí)擺桿會(huì)出現(xiàn)快速小振幅抖動(dòng)，這和擺桿軸部過(guò)于寬松，電機(jī)齒輪固定方式等都有很大的關(guān)系，主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工方面缺乏 經(jīng)驗(yàn)所致。 5 180 180 180 180 180 180 180 360 度旋轉(zhuǎn) 圈數(shù) 1 2 3 4 5 ... 擺桿 /度 180 180 180 180 180 ... 直到數(shù)據(jù) 線纏繞 15 自起擺：偶爾成功 測(cè)試分析與結(jié)論 根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)， 本倒立擺可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成正負(fù) 60 度以上范圍的擺動(dòng)及圓周運(yùn)動(dòng)。 5 177。 5 177。 10 177。 15 177。 15 擺桿 /度 180177。 25 177。 30 177。鍵盤(pán)掃描和調(diào)試信息在主循環(huán)中，可以選擇倒立擺動(dòng)作和修改 PID 參數(shù)。 模塊電路 原理圖 圖 8 電源穩(wěn)壓模塊子系統(tǒng)電路圖 5V，用于核心板供電。最后為了方便調(diào)試，我們將單片機(jī)的串行通信接口引出，利用無(wú)線串口與上位機(jī)直接通信，大大提高了調(diào)試效率。另外我們還設(shè)計(jì)了電池電量檢測(cè)模塊，使用運(yùn)放作為比較器來(lái)檢測(cè)電壓值，這樣當(dāng)電池電量不足時(shí)即可及時(shí)更換，這對(duì)調(diào)節(jié)控制參數(shù)非常有用（實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電量的不同常常會(huì)影響參數(shù)的選擇）。 7 3 電路與程序設(shè)計(jì) 電路的設(shè)計(jì) 電路部分主要分為核心控制板，驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊幾部分。 圖 5 PID 控制方法示意框圖 在設(shè)計(jì)完控制程序后，我們首先將旋轉(zhuǎn)臂開(kāi)環(huán)，整定旋轉(zhuǎn)臂的 PID 參數(shù)，即上式中 Kp、 Ki、 Kd。以下是我們根據(jù)直線倒立擺的狀態(tài)反饋推測(cè)出的圓 形平面倒立擺的極點(diǎn)配置原理圖。 方案 2：采用狀態(tài)空間極點(diǎn)配置控制方案。 PID 控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)節(jié)，且不需要對(duì)系統(tǒng)建立精確的模型，在實(shí)際控制中應(yīng)用較廣。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)這種方式可以比較靈敏而準(zhǔn)確地反應(yīng)擺桿角度信息。但是陀螺儀在累加過(guò)程中累積值會(huì)受溫度影響而變化，這就需要我們使用加速度計(jì)進(jìn)行校正，即在陀螺儀積分的過(guò)程中定期與加速度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較，不斷糾正陀螺儀數(shù)據(jù)的飄移。其負(fù)載電流為 ，兩片 BTN7971B 搭成的 H橋驅(qū)動(dòng)模塊可以滿足其電流需求，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)如果堵轉(zhuǎn)，電流增大，驅(qū)動(dòng)芯片電路也可以自動(dòng)斷電，使 電機(jī)得到保護(hù)。 2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 電動(dòng)機(jī)選型 由于條件限制，在沒(méi)有伺服電機(jī)的情況下，我們使用了帶減速齒輪的 RS385S 直流電機(jī)。 4 方案 3：旋轉(zhuǎn)臂與電機(jī)連接處使用雙向編碼器，擺桿上固定 陀螺儀 加速度計(jì)模塊 ，陀螺儀可以直接測(cè)得角速度，而其對(duì)時(shí)間的積分即為當(dāng)前偏離角度。這樣，通過(guò)讀取單片機(jī)的計(jì)數(shù)模塊再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的正負(fù)判斷處理就可以很容易測(cè)得兩轉(zhuǎn)軸處的角度變化。 角度測(cè)量方案的選擇： 方案 1：采用專(zhuān)用角度傳感器。 方案 3：采用步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)控制方便，使用單片機(jī)的 PWM接口配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可方便控制。 綜上所述，我們采用飛思卡爾 K60 作為主控芯片。另一方面，其 I/O 接口有限，同時(shí)處理速度相對(duì)較慢，中斷系統(tǒng)不 是非常穩(wěn)定。擺桿通過(guò)軸承與旋轉(zhuǎn)臂相連，這樣既可以使用編碼器測(cè)量擺桿的角度、角速度等參數(shù)， 同時(shí)又能保證擺桿自由靈活地旋轉(zhuǎn)。 圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 以下是我們的 具體設(shè)計(jì)方案。 2．發(fā)揮部分 （ 1）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于 10s； （ 2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或 2s 內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)； 2 （ 3）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過(guò)角度達(dá)到或超過(guò) 360176。）開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò) 60176。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。控制方案采用兩個(gè) PID 控制器分別控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角和擺桿擺角，通過(guò)對(duì) PID 參數(shù)的整定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿姿態(tài)的控制。 2020 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（ C 題） 【本科組】 2020 年 9 月 7 日 I 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（ C 題） 摘 要 本設(shè)計(jì)
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